新型陶瓷零件快速成型机控制系统设计*

马金锋 高东强 王 伟 陈超群 杨 飞

(陕西科技大学机电工程学院 西安 710021)

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀等优点，但是由于材料本身的特点，制约了陶瓷产品的应用。目前主流的陶瓷零件制造工艺主要采用激光成型，设备复杂并且造价昂贵，对材料性能要求高［1］。为了解决以上问题，提出了一种基于石蜡的层和速凝成型陶瓷零件技术［2］，并以该技术为基础，设计出一种更加经济可靠的新型快速成型装置。

可编程序控制器(PLC)是一种新型的电气控制装置，以其结构简单、易于编程、可靠性强、性能优越等优点，被广泛应用于各种机械和生产过程的自动控制中［3］。西门子S7 -200 PLC 系列属于小型可编程序控制器，既可用于简单的控制场合，亦可用于复杂的控制系统，其指令内容丰富，能够完成用户要求的特定功能，使用的STEP7 -Micro/WIN32 编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境，可以满足新型快速机的自动控制［4］。

1 新型快速成型机工作原理

1.1 理论依据

基于石蜡的层和速凝技术是新型陶瓷零件快速成型机设计的理论依据，该技术以陶瓷为成型材料，石蜡为支撑及粘合材料，首先利用分层软件，将零件的三维实体模型分为0.1～2.0 mm 的一系列薄层，得到每层的形状后，在工作台上铺一层支撑材料，然后由计算机控制刻刀雕刻出该层轮廓，最后在支撑材料镂空处填充成型材料，反复经过累加并且去除支撑并烧结，最终得到陶瓷零件［5-6］生产工艺流程如图1 所示［7］。

根据该技术原理，将快速成型机分为3 部分［7］:雕刻系统，铺料系统和控制系统。雕刻系统利用现有的数控机床，便于加工和编程;铺料系统主要包括料斗搅拌装置、水平运动装置和铺料台升降装置，分别实现盛放浆料、料斗水平往返和铺料台竖直下降功能;控制系统实现各装置的自动控制和顺序运动，提高加工效率。

1.2 铺料系统结构

快速成型机铺料系统机械结构系统主要实现以下功能:分别盛放石蜡和陶瓷浆料，水平方向和竖直方向的往复运动，并且有加热和搅拌装置，防止浆料凝固;将铺料系统固定于数控机床上，实现铺料系统和雕刻系统的配合。快速成型机铺料系统机械结构如图2所示。

主要由3 部分组成:料斗搅拌装置包括料斗1、石蜡料斗9、陶瓷料斗10、搅拌轴以及驱动电动机;水平运动装置包括水平方向丝杠11，限位开关12，水平方向驱动电动机，其中料斗与丝杠螺母相连，电动机驱动丝杠，实现料斗整体水平往复运动;铺料台升降装置包括竖直方向丝杠3、横梁4、带轮5、竖直方向运动导轨6、竖直方向驱动电动机，其中竖直电动机通过同步带将运动传递给带轮5，带轮5 通过竖直方向丝杠3、横梁4、竖直方向运动导轨6，实现铺料台的升降运动。

料斗1 内安装有加热装置，与搅拌轴相互配合，使浆料保持熔融状态，并且通过搅拌使浆料均匀无沉淀。

刮平装置2 与加热器相连，待石蜡铺设完毕，用热的刮刀将石蜡薄层上多余的蜡料刮掉，保证石蜡基板平整。

底板8 上开有槽孔，通过螺杆和压板铺料系统固定在数控机床的工作台上，实现与雕刻系统的连接。

2 控制系统设计

2.1 快速成型机顺序运动流程

快速成型机的运动流程主要包括:(1)初始状态，料斗静止，进给丝杠和刻刀停止，铺料台处于初始位置;(2)打开启动按钮，水平电动机正转，带动料斗右行，同时石蜡料斗开，铺设石蜡;(2)料斗右行到位，触发右限位开关，水平电动机反转，料斗左行，石蜡料斗闭合，回到初始位置;(3)返回初始位置后，停止30 s使石蜡凝固;(4)石蜡完全凝固，雕刻系统启动，刻刀按照事先编写的程序在石蜡基板上雕刻出模型轮廓;(5)雕刻完毕，刻刀停止，水平电动机启动，电动机正转带动料斗第二次右行，同时陶瓷料斗开，在基板上镂空的部分铺设陶瓷浆料;(4)料斗右行到位，触发右限位开关，水平电动机反转，料斗第二次左行，同时陶瓷料斗闭合，第二次回到初始原位，水平电动机停止;(5)竖直电动机启动，正转带动铺料台下降2 mm，一次循环完成，系统恢复初始状态。重复以上过程，直至完成陶瓷坯件，通过烧结使石蜡融化，得到陶瓷零件，顺序动作示意图如图3 所示。

2.2 控制系统硬件设计［8-9］

为了满足顺序控制的要求，同时考虑控制系统的复杂程度和成本，使用西门子S7 -200 实现控制，雕刻系统使用自身的数控系统，此外需要3 台步进电动机M1、M2、M3 和4 个限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4;M1实现水平方向料斗的往复运动，M2 驱动搅拌轴旋转，M3 实现竖直方向铺料台的升降运动;SQ1、SQ2 为水平方向限位开关，SQ3、SQ4 是竖直方向限位开关。当按下启动开关时，继电器线圈KM1 通电，驱动电动机带动丝杠，实现料斗的水平运动，当料斗接触到限位开关SQ2，线圈KM1 关闭，KM2 通电，电动机反转，如此实现料斗的往复运动。

竖直方向运动导轨与限位开关SQ3 接触，处于初始位置;当石蜡完全凝固，雕刻系统启动，刻刀下移并在石蜡基板上雕刻二维轮廓，在此过程中，刻刀受数控系统控制。雕刻完毕，数控系统发送信号给S7 -200可编程控制器，水平电动机启动，带动料斗铺设陶瓷，铺设完毕，料斗回原位，竖直导轨带动铺料台下降0.1～2.0 mm，一次加工循环完成，系统恢复初始状态;当导轨下移到极限位置接触开关SQ4，竖直电动机反转，带动铺料台回初始位置。

控制系统外部接线图和I/O 分配表如图4 和表1所示。

表1 I/O 地址分配表

2.3 控制系统要求［8-9］

(1)在整个过程中加热和搅拌装置始终处于开启状态，避免浆料冷却，温度控制在95 ℃左右;(2)为了安全起见，电动机正反转需要进行互锁，石蜡料斗和陶瓷料斗不能同时打开;(3)刻刀由机床数控系统控制，在雕刻未完成之前，铺料系统不能动作;雕刻完毕，数控系统发送信号给S7 -200 控制器，铺料系统恢复执行动作。

2.4 控制系统仿真

STEP7 -Micro/WIN32 编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为S7 -200 系列可编程控制器而设计开发，可以实现在线编程、调试、下载和监测。

按照快速成型机顺序动作流程和控制系统的要求，使用STEP7 -Micro/WIN32 软件，对程序进行编制和仿真，系统顺序输出结果和仿真示意图分别如表2和图5(当I0.3 闭合I0.2 断开时，输出Q0.0，Q0.2，Q0.3，Q0.5)所示，仿真结果表明，输入和输出结果与预先设定结果一致，可以满足设计要求。

表2 系统顺序输出结果

3 控制系统运行结果

为了进一步验证控制系统的实际运行结果，选用S7 -200 CPU224 作为中央控制器，3 台步进电动机驱动器分别控制电动机M1、M2、M3，通过USB -PPI 数据线将程序下载至S7 -200，从而完成PLC 和PC 机的通讯。程序下载完毕，对硬件电路进行现场接线并运行，以验证控制系统实际的运行效果。

按照表2 的动作流程依次输入，运行结果与仿真输出一致，达到预期的设计要求，系统运行平稳，对整个运动流程实现了自动控制。

4 结语

系统实际运行结果表明，新型陶瓷零件快速成型机各部分装置相互配合，可以满足可靠性和加工精度的要求;刻刀由数控系统控制，便于编程和操作，使快速成型机通用性更强;使用S7 -200 可编程控制器实现了铺料系统的顺序运动，并与数控系统相配合，可以满足自动控制的要求，提高了效率，而且生产成本降低，达到了经济实用的目的。

［1］郭志刚，高东强.新型陶瓷快速成型机铺料台的有限元分析［J］.机械设计与制造，2010(4):29 -31.

［2］王秀峰，江红涛，孙勇，等.一种陶瓷零件的快速成型方法:中国，CN200510041976.4［P］.2005.

［3］韩伟娜，刘宝华.基于S7 -200 的搬运机械手的PLC 控制［J］.机械科学与技术，2011，30(2):259 -261.

［4］高东强.基于层和速凝原理的陶瓷件快速制造设备及材料的成型研究［D］.西安:陕西科技大学，2012.

［5］高东强，张菲.陶瓷零件快速成型机研制及产品加工［J］.制造技术与机床，2011(11):81 -85.

［6］郭志刚.陶瓷零件快速成型机及控制系统研究［D］.西安:陕西科技大学，2010.

［7］高东强，郝大建，田振亚，等.基于层合速凝技术的陶瓷件快速成型研究［J］.机械设计与制造，2008(8):108 -110.

［8］高东强，田振亚，郝大建，等.陶瓷零件快速成型机铺料机构的PLC控制［J］.机械设计与制造，2008(9):174 -176.

［9］高东强，田振亚，郝大建，等.陶瓷零件快速成型机铺料机构控制系统的研究［J］.工程设计学报，2008，15(3):229 -232.